Tin tức

Có lẽ sau định luật Ohm, định luật nổi tiếng thứ hai trong điện tử là định luật Moore: Số lượng bóng bán dẫn có thể được sản xuất trên một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi cứ sau hai năm hoặc lâu hơn.Vì kích thước vật lý của con chip gần như không đổi, điều này có nghĩa là các bóng bán dẫn riêng lẻ sẽ trở nên nhỏ hơn theo thời gian.Chúng ta đã bắt đầu mong đợi một thế hệ chip mới với kích thước tính năng nhỏ hơn sẽ xuất hiện với tốc độ bình thường, nhưng làm cho mọi thứ nhỏ hơn có ích gì?Có phải nhỏ hơn luôn có nghĩa là tốt hơn?
Trong thế kỷ qua, kỹ thuật điện tử đã có những tiến bộ to lớn.Vào những năm 1920, đài AM tiên tiến nhất bao gồm một số ống chân không, một số cuộn cảm, tụ điện và điện trở khổng lồ, hàng chục mét dây được sử dụng làm ăng-ten và một bộ pin lớn để cung cấp năng lượng cho toàn bộ thiết bị.Ngày nay, bạn có thể Nghe hơn chục dịch vụ phát nhạc trực tuyến trên thiết bị ngay trong túi của mình và bạn có thể làm được nhiều hơn thế.Nhưng việc thu nhỏ không chỉ nhằm mục đích di động: nó thực sự cần thiết để đạt được hiệu suất mà chúng ta mong đợi từ các thiết bị của mình ngày nay.
Một lợi ích rõ ràng của các thành phần nhỏ hơn là chúng cho phép bạn đưa nhiều chức năng hơn vào cùng một khối.Điều này đặc biệt quan trọng đối với các mạch kỹ thuật số: nhiều thành phần hơn có nghĩa là bạn có thể xử lý nhiều hơn trong cùng một khoảng thời gian.Ví dụ, về mặt lý thuyết, lượng thông tin được xử lý bởi bộ xử lý 64 bit gấp 8 lần so với lượng thông tin được xử lý bởi CPU 8 bit chạy ở cùng tần số xung nhịp.Nhưng nó cũng yêu cầu số thành phần nhiều gấp tám lần: thanh ghi, bộ cộng, bus, v.v. đều lớn hơn tám lần.Vì vậy, bạn cần một con chip lớn hơn tám lần hoặc bạn cần một bóng bán dẫn nhỏ hơn tám lần.
Điều này cũng đúng với chip nhớ: Bằng cách tạo ra các bóng bán dẫn nhỏ hơn, bạn có nhiều không gian lưu trữ hơn trong cùng một ổ đĩa.Các pixel trong hầu hết các màn hình ngày nay đều được làm từ các bóng bán dẫn màng mỏng, do đó, việc thu nhỏ chúng xuống và đạt được độ phân giải cao hơn là điều hợp lý.Tuy nhiên, bóng bán dẫn càng nhỏ thì càng tốt và còn có một lý do quan trọng khác: hiệu suất của chúng được cải thiện rất nhiều.Nhưng chính xác thì tại sao?
Bất cứ khi nào bạn chế tạo một bóng bán dẫn, nó sẽ cung cấp miễn phí một số thành phần bổ sung.Mỗi thiết bị đầu cuối có một điện trở nối tiếp.Vật nào mang dòng điện đều có khả năng tự cảm.Cuối cùng, có một điện dung giữa hai dây dẫn bất kỳ đối diện nhau.Tất cả những hiệu ứng này đều tiêu thụ điện năng và làm chậm tốc độ của bóng bán dẫn.Điện dung ký sinh đặc biệt rắc rối: các bóng bán dẫn cần được sạc và xả mỗi khi chúng bật hoặc tắt, điều này đòi hỏi thời gian và dòng điện từ nguồn điện.
Điện dung giữa hai dây dẫn là một hàm số theo kích thước vật lý của chúng: kích thước nhỏ hơn có nghĩa là điện dung nhỏ hơn.Và bởi vì các tụ điện nhỏ hơn có nghĩa là tốc độ cao hơn và công suất thấp hơn, nên các bóng bán dẫn nhỏ hơn có thể chạy ở tần số xung nhịp cao hơn và tản ít nhiệt hơn khi làm như vậy.
Khi bạn thu nhỏ kích thước của bóng bán dẫn, điện dung không phải là hiệu ứng duy nhất thay đổi: có nhiều hiệu ứng cơ học lượng tử kỳ lạ không rõ ràng đối với các thiết bị lớn hơn.Tuy nhiên, nói chung, việc làm bóng bán dẫn nhỏ hơn sẽ làm cho chúng nhanh hơn.Nhưng các sản phẩm điện tử không chỉ có bóng bán dẫn.Khi bạn thu nhỏ các thành phần khác, chúng hoạt động như thế nào?
Nói chung, các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm sẽ không tốt hơn khi chúng trở nên nhỏ hơn: theo nhiều cách, chúng sẽ trở nên tồi tệ hơn.Vì vậy, việc thu nhỏ các thành phần này chủ yếu là để có thể nén chúng thành một thể tích nhỏ hơn, từ đó tiết kiệm không gian PCB.
Kích thước của điện trở có thể giảm đi mà không gây tổn hao quá nhiều.Điện trở của một mảnh vật liệu được cho bởi, trong đó l là chiều dài, A là diện tích mặt cắt ngang và ρ là điện trở suất của vật liệu.Bạn có thể chỉ cần giảm chiều dài và tiết diện và kết thúc bằng một điện trở vật lý nhỏ hơn nhưng vẫn có cùng điện trở.Nhược điểm duy nhất là khi tiêu tán cùng một công suất, các điện trở nhỏ hơn về mặt vật lý sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn các điện trở lớn hơn.Do đó, điện trở nhỏ chỉ có thể được sử dụng trong các mạch điện có công suất thấp.Bảng này cho thấy mức công suất tối đa của điện trở SMD giảm khi kích thước của chúng giảm.
Ngày nay, điện trở nhỏ nhất bạn có thể mua có kích thước theo hệ mét 03015 (0,3 mm x 0,15 mm).Công suất định mức của chúng chỉ là 20 mW và chỉ được sử dụng cho các mạch tiêu tán rất ít năng lượng và có kích thước cực kỳ hạn chế.Gói số liệu 0201 nhỏ hơn (0,2 mm x 0,1 mm) đã được phát hành nhưng vẫn chưa được đưa vào sản xuất.Nhưng ngay cả khi chúng xuất hiện trong danh mục của nhà sản xuất, đừng hy vọng chúng có mặt ở khắp mọi nơi: hầu hết các robot gắp và đặt không đủ chính xác để xử lý chúng, vì vậy chúng có thể vẫn là những sản phẩm thích hợp.
Tụ điện cũng có thể được thu nhỏ lại, nhưng điều này sẽ làm giảm điện dung của chúng.Công thức tính điện dung của tụ điện shunt là, trong đó A là diện tích của bản mạch, d là khoảng cách giữa chúng và ε là hằng số điện môi (tính chất của vật liệu trung gian).Nếu tụ điện (về cơ bản là một thiết bị phẳng) được thu nhỏ lại thì diện tích phải giảm đi, do đó điện dung sẽ giảm.Nếu bạn vẫn muốn đóng gói nhiều nafara trong một khối lượng nhỏ, lựa chọn duy nhất là xếp nhiều lớp lại với nhau.Do những tiến bộ trong vật liệu và chế tạo, cũng đã tạo ra các màng mỏng (d nhỏ) và chất điện môi đặc biệt (với ε lớn hơn), kích thước của tụ điện đã giảm đáng kể trong vài thập kỷ qua.
Tụ điện nhỏ nhất hiện nay được đóng gói theo hệ mét siêu nhỏ 0201: chỉ 0,25 mm x 0,125 mm.Điện dung của chúng bị giới hạn ở mức 100 nF vẫn còn hữu ích và điện áp hoạt động tối đa là 6,3 V. Ngoài ra, các gói này rất nhỏ và yêu cầu thiết bị tiên tiến để xử lý chúng, hạn chế việc áp dụng rộng rãi chúng.
Đối với cuộn cảm, câu chuyện hơi phức tạp.Độ tự cảm của một cuộn dây thẳng được cho bởi, trong đó N là số vòng dây, A là diện tích mặt cắt ngang của cuộn dây, l là chiều dài của nó và μ là hằng số vật liệu (độ thấm).Nếu tất cả các kích thước giảm một nửa thì độ tự cảm cũng sẽ giảm một nửa.Tuy nhiên, điện trở của dây vẫn không đổi: điều này là do chiều dài và tiết diện của dây giảm đi một phần tư giá trị ban đầu.Điều này có nghĩa là bạn sẽ có cùng một điện trở ở một nửa độ tự cảm, do đó bạn giảm một nửa hệ số chất lượng (Q) của cuộn dây.
Cuộn cảm rời rạc nhỏ nhất hiện có trên thị trường sử dụng kích thước inch 01005 (0,4 mm x 0,2 mm).Chúng cao tới 56 nH và có điện trở vài ohm.Cuộn cảm trong gói số liệu siêu nhỏ 0201 đã được phát hành vào năm 2014, nhưng dường như chúng chưa bao giờ được giới thiệu ra thị trường.
Những hạn chế vật lý của cuộn cảm đã được giải quyết bằng cách sử dụng một hiện tượng gọi là độ tự cảm động, có thể quan sát thấy ở các cuộn dây làm bằng graphene.Nhưng ngay cả như vậy, nếu nó có thể được sản xuất theo cách khả thi về mặt thương mại, nó có thể tăng thêm 50%.Cuối cùng, cuộn dây không thể thu nhỏ tốt được.Tuy nhiên, nếu mạch của bạn đang hoạt động ở tần số cao thì đây không hẳn là vấn đề.Nếu tín hiệu của bạn ở phạm vi GHz thì thường chỉ cần một vài cuộn dây nH là đủ.
Điều này đưa chúng ta đến một thứ khác đã được thu nhỏ trong thế kỷ qua nhưng có thể bạn không nhận ra ngay: bước sóng chúng ta sử dụng để liên lạc.Các chương trình phát sóng vô tuyến ban đầu sử dụng tần số AM sóng trung bình khoảng 1 MHz với bước sóng khoảng 300 mét.Dải tần FM tập trung ở 100 MHz hoặc 3 mét trở nên phổ biến vào khoảng những năm 1960 và ngày nay chúng ta chủ yếu sử dụng liên lạc 4G ở tần số 1 hoặc 2 GHz (khoảng 20 cm).Tần số cao hơn có nghĩa là khả năng truyền tải thông tin nhiều hơn.Chính nhờ việc thu nhỏ mà chúng ta có những chiếc radio rẻ tiền, đáng tin cậy và tiết kiệm năng lượng hoạt động ở những tần số này.
Việc thu hẹp bước sóng có thể thu nhỏ ăng-ten vì kích thước của chúng liên quan trực tiếp đến tần số chúng cần truyền hoặc nhận.Điện thoại di động ngày nay không cần ăng-ten nhô ra dài nhờ khả năng liên lạc chuyên dụng ở tần số GHz, mà ăng-ten chỉ cần dài khoảng một cm.Đây là lý do tại sao hầu hết điện thoại di động vẫn có bộ thu sóng FM đều yêu cầu bạn phải cắm tai nghe trước khi sử dụng: đài cần sử dụng dây của tai nghe làm ăng-ten để có đủ cường độ tín hiệu từ những sóng dài một mét đó.
Đối với các mạch kết nối với ăng-ten thu nhỏ của chúng ta, khi chúng nhỏ hơn, chúng thực sự trở nên dễ chế tạo hơn.Điều này không chỉ vì bóng bán dẫn đã trở nên nhanh hơn mà còn vì hiệu ứng đường truyền không còn là vấn đề nữa.Nói tóm lại, khi chiều dài của dây vượt quá 1/10 bước sóng, bạn cần xem xét độ dịch pha dọc theo chiều dài của nó khi thiết kế mạch.Ở tần số 2,4 GHz, điều này có nghĩa là chỉ một cm dây ảnh hưởng đến mạch của bạn;nếu hàn các linh kiện rời rạc lại với nhau thì đau đầu, nhưng nếu bố trí mạch trên diện tích vài milimet vuông thì không thành vấn đề.
Dự đoán sự sụp đổ của Định luật Moore, hoặc cho thấy những dự đoán này hết lần này đến lần khác, đã trở thành một chủ đề thường xuyên trong báo chí khoa học và công nghệ.Sự thật vẫn là Intel, Samsung và TSMC, ba đối thủ vẫn đang dẫn đầu cuộc chơi, tiếp tục nén nhiều tính năng hơn trên mỗi micromet vuông và có kế hoạch giới thiệu một số thế hệ chip cải tiến trong tương lai.Mặc dù tiến bộ mà họ đạt được ở mỗi bước có thể không lớn bằng hai thập kỷ trước, việc thu nhỏ bóng bán dẫn vẫn tiếp tục.
Tuy nhiên, đối với các thành phần rời rạc, chúng ta dường như đã đạt đến giới hạn tự nhiên: làm cho chúng nhỏ hơn không cải thiện hiệu suất của chúng và các thành phần nhỏ nhất hiện có cũng nhỏ hơn so với yêu cầu của hầu hết các trường hợp sử dụng.Có vẻ như không có Định luật Moore cho các thiết bị rời rạc, nhưng nếu có Định luật Moore, chúng ta rất muốn xem một người có thể vượt qua thử thách hàn SMD đến mức nào.
Tôi luôn muốn chụp ảnh điện trở PTH mà tôi đã sử dụng vào những năm 1970 và đặt một điện trở SMD lên nó, giống như bây giờ tôi đang hoán đổi vào/ra.Mục tiêu của tôi là làm cho các anh chị em của tôi (không ai trong số họ là sản phẩm điện tử) thay đổi bao nhiêu, bao gồm cả việc tôi thậm chí có thể nhìn thấy các phần công việc của mình, (khi thị lực của tôi ngày càng kém, tay tôi càng run hơn).
Tôi muốn nói, liệu có ở bên nhau hay không.Tôi thực sự ghét “cải thiện, trở nên tốt hơn”.Đôi khi bố cục của bạn hoạt động tốt nhưng bạn không thể lấy được các bộ phận nữa.Cái quái gì thế?.Một ý tưởng tốt là một ý tưởng tốt, và thà giữ nguyên nó còn hơn là cải tiến nó mà không có lý do.Gantt
“Thực tế là ba công ty Intel, Samsung và TSMC vẫn đang cạnh tranh ở vị trí dẫn đầu trong cuộc chơi này, liên tục tạo ra nhiều tính năng hơn trên mỗi micromet vuông,”
Linh kiện điện tử có kích thước lớn và đắt tiền.Năm 1971, một gia đình trung bình chỉ có vài chiếc radio, dàn âm thanh nổi và TV.Đến năm 1976, máy tính, máy tính, đồng hồ kỹ thuật số và đồng hồ đeo tay đã ra đời, những loại máy nhỏ và rẻ tiền đối với người tiêu dùng.
Một số thu nhỏ xuất phát từ thiết kế.Bộ khuếch đại hoạt động cho phép sử dụng bộ hồi chuyển, có thể thay thế cuộn cảm lớn trong một số trường hợp.Bộ lọc hoạt động cũng loại bỏ cuộn cảm.
Các thành phần lớn hơn sẽ thúc đẩy những thứ khác: giảm thiểu mạch điện, nghĩa là cố gắng sử dụng ít thành phần nhất để làm cho mạch hoạt động.Ngày nay, chúng ta không quan tâm nhiều lắm.Cần một cái gì đó để đảo ngược tín hiệu?Lấy một bộ khuếch đại hoạt động.Bạn có cần một máy trạng thái?Lấy một mpu.v.v... Các linh kiện ngày nay thực ra rất nhỏ nhưng thực chất bên trong lại có rất nhiều linh kiện.Vì vậy, về cơ bản kích thước mạch của bạn tăng lên và mức tiêu thụ điện năng tăng lên.Một bóng bán dẫn dùng để đảo ngược tín hiệu sử dụng ít năng lượng hơn để thực hiện cùng một công việc so với bộ khuếch đại thuật toán.Nhưng một lần nữa, việc thu nhỏ sẽ đảm nhiệm việc sử dụng năng lượng.Chỉ là sự đổi mới đã đi theo một hướng khác.
Bạn thực sự đã bỏ lỡ một số lợi ích/lý do lớn nhất của việc giảm kích thước: giảm ký sinh gói và tăng khả năng xử lý năng lượng (điều này có vẻ phản trực giác).
Từ quan điểm thực tế, khi kích thước tính năng đạt khoảng 0,25u, bạn sẽ đạt đến mức GHz, lúc đó gói SOP lớn bắt đầu tạo ra hiệu ứng* lớn nhất.Dây liên kết dài và những dây dẫn đó cuối cùng sẽ giết chết bạn.
Tại thời điểm này, các gói QFN/BGA đã được cải thiện đáng kể về mặt hiệu suất.Ngoài ra, khi bạn lắp gói hàng bằng phẳng như thế này, bạn sẽ có hiệu suất tản nhiệt tốt hơn *đáng kể* và các miếng đệm lộ ra ngoài.
Ngoài ra, Intel, Samsung và TSMC chắc chắn sẽ đóng vai trò quan trọng, nhưng ASML có thể còn quan trọng hơn nhiều trong danh sách này.Tất nhiên, điều này có thể không áp dụng cho thể bị động…
Nó không chỉ là giảm chi phí silicon thông qua các nút quy trình thế hệ tiếp theo.Những thứ khác, chẳng hạn như túi xách.Các gói nhỏ hơn yêu cầu ít vật liệu và wcsp hơn hoặc thậm chí ít hơn.Các gói nhỏ hơn, PCB hoặc mô-đun nhỏ hơn, v.v.
Tôi thường thấy một số sản phẩm theo danh mục, trong đó yếu tố thúc đẩy duy nhất là giảm chi phí.MHz/kích thước bộ nhớ giống nhau, chức năng SOC và cách sắp xếp chân giống nhau.Chúng tôi có thể sử dụng các công nghệ mới để giảm mức tiêu thụ điện năng (thông thường việc này không miễn phí nên phải có một số lợi thế cạnh tranh mà khách hàng quan tâm)
Một trong những ưu điểm của linh kiện lớn là vật liệu chống bức xạ.Các bóng bán dẫn nhỏ bé dễ bị ảnh hưởng bởi tia vũ trụ hơn trong tình huống quan trọng này.Ví dụ, trong không gian và thậm chí cả các đài quan sát ở độ cao lớn.
Tôi không thấy lý do chính cho việc tăng tốc độ.Tốc độ tín hiệu là khoảng 8 inch mỗi nano giây.Vì vậy, chỉ bằng cách giảm kích thước, chip nhanh hơn là có thể.
Bạn có thể muốn kiểm tra toán học của riêng mình bằng cách tính toán sự khác biệt về độ trễ truyền do thay đổi bao bì và chu kỳ giảm (1/tần số).Tức là giảm độ trễ/thời gian của phe phái.Bạn sẽ thấy rằng nó thậm chí không hiển thị dưới dạng hệ số làm tròn.
Một điều tôi muốn nói thêm là nhiều IC, đặc biệt là các thiết kế cũ và chip analog, không thực sự được thu nhỏ kích thước, ít nhất là ở bên trong.Do những cải tiến trong sản xuất tự động, các gói đã trở nên nhỏ hơn, nhưng đó là do các gói DIP thường có nhiều không gian còn lại bên trong chứ không phải vì bóng bán dẫn, v.v. đã trở nên nhỏ hơn.
Ngoài vấn đề làm cho robot đủ chính xác để thực sự xử lý các bộ phận nhỏ trong các ứng dụng gắp và đặt tốc độ cao, một vấn đề khác là hàn các bộ phận nhỏ một cách đáng tin cậy.Đặc biệt là khi bạn vẫn cần các thành phần lớn hơn do yêu cầu về nguồn điện/công suất.Việc sử dụng miếng dán hàn đặc biệt, các mẫu dán hàn theo bước đặc biệt (bôi một lượng nhỏ miếng dán hàn khi cần thiết nhưng vẫn cung cấp đủ miếng dán hàn cho các bộ phận lớn) bắt đầu trở nên rất đắt tiền.Vì vậy, tôi nghĩ rằng có một mức độ ổn định và việc thu nhỏ hơn nữa ở cấp độ bảng mạch chỉ là một cách tốn kém và khả thi.Tại thời điểm này, bạn cũng có thể thực hiện tích hợp nhiều hơn ở cấp độ tấm bán dẫn silicon và đơn giản hóa số lượng thành phần riêng biệt đến mức tối thiểu.
Bạn sẽ thấy điều này trên điện thoại của bạn.Khoảng năm 1995, tôi mua một số điện thoại di động đời đầu trong các đợt giảm giá trong gara với giá vài đô la mỗi chiếc.Hầu hết các IC đều xuyên lỗ.CPU và bộ nén NE570 có thể nhận dạng được, IC lớn có thể tái sử dụng.
Sau đó tôi đã có được một số điện thoại cầm tay được cập nhật.Có rất ít thành phần và hầu như không có gì quen thuộc.Trong một số lượng nhỏ IC, không chỉ mật độ cao hơn mà còn áp dụng thiết kế mới (xem SDR), giúp loại bỏ hầu hết các thành phần rời rạc mà trước đây không thể thiếu.
> (Bôi một lượng nhỏ kem hàn khi cần nhưng vẫn cung cấp đủ keo hàn cho các bộ phận lớn)
Này, tôi đã tưởng tượng ra mẫu “3D/Wave” để giải quyết vấn đề này: mỏng hơn ở những bộ phận nhỏ nhất và dày hơn ở những mạch điện.
Ngày nay, các thành phần SMT rất nhỏ, bạn có thể sử dụng các thành phần rời rạc thực sự (không phải 74xx và các loại rác khác) để thiết kế CPU của riêng mình và in nó trên PCB.Rắc nó bằng đèn LED, bạn có thể thấy nó hoạt động trong thời gian thực.
Trong những năm qua, tôi chắc chắn đánh giá cao sự phát triển nhanh chóng của các thành phần nhỏ và phức tạp.Chúng mang lại sự tiến bộ vượt bậc, nhưng đồng thời chúng cũng tăng thêm mức độ phức tạp mới cho quá trình tạo nguyên mẫu lặp đi lặp lại.
Tốc độ điều chỉnh và mô phỏng của mạch analog nhanh hơn nhiều so với những gì bạn làm trong phòng thí nghiệm.Khi tần số của các mạch kỹ thuật số tăng lên, PCB sẽ trở thành một phần của tổ hợp.Ví dụ, hiệu ứng đường truyền, độ trễ lan truyền.Việc tạo mẫu của bất kỳ công nghệ tiên tiến nào tốt nhất nên dành cho việc hoàn thiện thiết kế một cách chính xác, thay vì thực hiện các điều chỉnh trong phòng thí nghiệm.
Đối với các mặt hàng sở thích, đánh giá.Bảng mạch và mô-đun là giải pháp thu nhỏ các thành phần và mô-đun thử nghiệm trước.
Điều này có thể khiến mọi thứ mất đi “niềm vui”, nhưng tôi nghĩ việc thực hiện dự án lần đầu tiên có thể sẽ ý nghĩa hơn vì công việc hoặc sở thích.
Tôi đã chuyển đổi một số thiết kế từ xuyên lỗ sang SMD.Tạo ra những sản phẩm rẻ hơn, nhưng việc chế tạo nguyên mẫu bằng tay không hề thú vị.Một lỗi nhỏ: “chỗ song song” nên đọc là “tấm song song”.
Không. Sau khi một hệ thống chiến thắng, các nhà khảo cổ học vẫn sẽ bối rối trước những phát hiện của nó.Ai biết được, có thể vào thế kỷ 23, Liên minh Hành tinh sẽ áp dụng một hệ thống mới…
Tôi không thể đồng ý thêm nữa.Kích thước của 0603 là bao nhiêu?Tất nhiên, việc giữ 0603 làm kích thước hệ Anh và “gọi” kích thước hệ mét 0603 là 0604 (hoặc 0602) không khó lắm, ngay cả khi nó có thể không chính xác về mặt kỹ thuật (tức là: kích thước khớp thực tế-không phải như vậy).Nghiêm ngặt), nhưng ít nhất mọi người sẽ biết bạn đang nói về công nghệ nào (số liệu/đế quốc)!
“Nói chung, các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm sẽ không tốt hơn nếu bạn làm chúng nhỏ hơn.”